基于可編程邏輯控制器(PLC)的專用組合機床電氣控制系統(tǒng)

曹 琳，張峻霞，房德磊，李 盼

(天津市輕工與食品工程機械裝備集成設計與在線監(jiān)控重點實驗室，天津科技大學機械工程學院，天津 300222)

隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展，可編程邏輯控制器(PLC)在組合機床上被不斷應用.采用傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)的組合機床接線復雜、故障率高、調(diào)試與維護困難.PLC具有功能強、可靠性高、使用靈活方便、易于編程等一系列優(yōu)點，其在工業(yè)控制中的應用越來越廣泛[1].應用PLC對組合機床的電氣控制系統(tǒng)進行改造，不僅可以充分發(fā)揮原有設備的功能，而且對傳統(tǒng)裝備制造業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新以及可持續(xù)發(fā)展有重要意義.

組合機床是一種由大量通用部件和少量專用部件組合而成的、工序集中的高效率專用機床，它能對一種(或幾種)零件進行多刀、多軸、多面、多工位加工[2].目前，PLC在組合機床上的應用，一方面是利用PLC技術(shù)改造組合機床的電氣控制系統(tǒng)，從而提高機床的效率、可靠性、自動化程度[3-11]，另一方面是利用PLC對組合機床控制系統(tǒng)進行硬件及軟件設計，設計方法有廣泛的通用性，可以很方便地進行移植[12-16].在改造研發(fā)組合機床自動控制系統(tǒng)時，PLC取代了傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)，是首選的控制器.S7-200型PLC是一款基礎版本，在大多數(shù)組合機床中被廣泛應用，其程序穩(wěn)定性與成本經(jīng)濟性良好.因此，本文基于西門子S7-200型PLC的功能，對原有DU型組合機床電氣系統(tǒng)進行改造升級，在對組合機床進行功能分析的基礎上，進行操作面板的設計以及PLC接口資源的分析與分配，追加自動運行和手動調(diào)試兩個模塊，從而實現(xiàn)機床的自動化生產(chǎn)和工作人員對機床的便捷維修.

1 DU型組合機床電氣控制原理分析

DU型機床單機由液壓動力頭和液壓回轉(zhuǎn)工作臺組成，該機床可以用來加工某輪轂工件上的12 個安裝孔.液壓動力頭上裝有36把刀具，共有4個工位：第一、二、三工位分別為鉆孔、擴孔和鉸孔的工序，第四工位用于裝卸工件.其工位布置如圖1所示.此組合機床的自動工作循環(huán)為：回轉(zhuǎn)臺抬起→回轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)→回轉(zhuǎn)臺反靠→回轉(zhuǎn)臺夾緊→動力頭快進→動力頭工進→延時停留→動力頭快退.

圖1 加工工位示意圖Fig.1 Schematic diagram of processing station

1.1 主回路

主回路中的主電路控制3臺電動機：M1為主電動機，M2為液壓泵電動機，M3為冷卻泵電動機.主電路控制線路如圖2所示，該控制線路實現(xiàn)了同時對多臺電動機的啟動控制.

圖2 主電路控制線路示意圖Fig.2 Schematic diagram of main circuit control circuit

1.2 液壓回轉(zhuǎn)工作臺回轉(zhuǎn)控制線路

液壓回轉(zhuǎn)工作臺通過控制液壓系統(tǒng)油路實現(xiàn)工作臺的轉(zhuǎn)位動作.液壓系統(tǒng)的動作循環(huán)是通過電氣控制系統(tǒng)進行控制.回轉(zhuǎn)工作臺回轉(zhuǎn)控制線路圖如圖3所示，回轉(zhuǎn)時各電磁鐵及限位開關的工作狀態(tài)見表1，其中：+表示電磁鐵得電，-表示電磁鐵失電，(+)表示備用電磁鐵得電.回轉(zhuǎn)工作臺的轉(zhuǎn)位動作如下：自鎖銷脫開及回轉(zhuǎn)臺抬起→回轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)及緩沖→回轉(zhuǎn)臺反靠→回轉(zhuǎn)臺夾緊→離合器脫開→回轉(zhuǎn)缸返回.

表1 回轉(zhuǎn)臺工作時各電磁鐵及限位開關的工作狀態(tài)Tab.1 Working state of each electromagnet and limit switch when the rotary table rotates

圖3 回轉(zhuǎn)工作臺回轉(zhuǎn)控制線路圖Fig.3 Rotary control circuit diagram of rotary table

1.3 液壓動力頭控制線路

動力頭是既能完成進給運動，又能完成刀具切削運動的動力部件.液壓動力頭的自動工作循環(huán)通過控制線路控制液壓系統(tǒng)來實現(xiàn).圖4是一次工作進給液壓控制線路.表2是液壓動力頭工作時電磁鐵及限位開關的工作狀態(tài).控制線路的自動工作循環(huán)是：動力頭快進→工作進給→延時停留→快速退回到原位.

表2 液壓動力頭工作時電磁鐵及限位開關的工作狀態(tài)Tab.2 Working state of electromagnet and limit switch during operation of hydraulic power head

圖4 一次工作進給電氣控制線路圖Fig.4 Electrical control circuit diagram of primary working feed

2 PLC控制組合機床的電氣方案設計

2.1 PLC接口資源分析與分配

對PLC輸入和輸出接口進行資源分配：輸入接口連接3個部分，即電動機啟動部分、回轉(zhuǎn)工作臺回轉(zhuǎn)部分、動力頭部分；輸出接口連接3個部分，即回轉(zhuǎn)臺工作部分、指示燈部分、電動機接觸器部分.如圖5所示.

圖5 接口資源分析與分配Fig.5 Analysis and allocation of interface resources

2.1.1 輸入接口模塊

輸入口I0.0—I0.6是電動機啟動部分.M1、M2的啟動由SB2控制，輸入口是I0.1，也可以單獨啟動.M3的啟動方式分為自動和手動兩種，輸入口分別是I0.4、I0.5；M3的手動啟動由輸入口I0.6控制.

輸入口I0.7—I2.2是回轉(zhuǎn)工作臺回轉(zhuǎn)部分、動力頭部分.組合機床工作方式可選為自動運轉(zhuǎn)和手動調(diào)試.自動運轉(zhuǎn)包括單工位循環(huán)和四工位循環(huán)，其輸入口分別是I1.1和I1.2；手動調(diào)試為回轉(zhuǎn)工作臺點動回轉(zhuǎn)，其輸入口是I1.3.當工作臺運動到一定位置時會壓動限位開關，從而實現(xiàn)準確定位.

輸入口I2.3—I2.7是動力頭運動部分，此部分可實現(xiàn)動力頭的點動調(diào)試，完成功能有動力頭快進、動力頭工進、動力頭單循環(huán)、動力頭快退.當動力頭到達指定位置時會壓動限位開關，從而實現(xiàn)準確定位.

2.1.2 輸出接口模塊

工作臺和動力頭工作部分：輸出口Q0.0—Q1.0是電磁鐵輸出部分，按動轉(zhuǎn)臺啟動按鈕，相應的電磁鐵得電動作，電磁鐵得電后使電磁閥的閥芯動作，從而控制液壓系統(tǒng)油路，實現(xiàn)回轉(zhuǎn)工作臺和動力頭的一系列動作.

指示燈部分：輸出口是Q1.1—Q2.3，當按鈕按動時，相應的指示燈指示按鈕的動作進程，對于點動控制的按鈕，按鈕按動時，指示燈亮，松開后燈熄滅.對于連續(xù)動作的按鈕，按動時燈亮，松開后燈仍然保持亮的狀態(tài)，當動作結(jié)束時才會熄滅.

電動機接觸器部分：輸出口Q2.4—Q2.6為電動機接觸器部分，當電機啟動按鈕按下時，相應的接觸器得電動作，從而啟動主電動機、液壓泵電動機和冷卻泵電動機.SB2控制KM1、KM2.SA3單獨控制KM1，SA4單獨控制KM2.

2.2 控制面板

PLC控制面板示意圖如圖6所示，按鈕指示電氣元件工作狀態(tài)，組合機床工作分電動機的啟動、自動運行和手動調(diào)試三部分.自動程序運行出現(xiàn)問題，機械結(jié)構(gòu)會自動停車，需要人工手動復原調(diào)試.

圖6 控制面板示意圖Fig.6 Schematic diagram of control panel

2.2.1 電動機啟動部分

主電動機和液壓泵電動機可以同時啟動也可以分別由按鈕控制單獨啟動，并且由指示燈指示其工作狀態(tài)，冷卻泵電動機可以手動啟動也可以自動啟動，并且由指示燈指示其工作狀態(tài).

2.2.2 自動運行部分

自動運行模塊可分為單工位循環(huán)和四工位循環(huán)兩部分.按動單工位循環(huán)按鈕，指示燈亮，單工位循環(huán)實現(xiàn)的工作是工作臺回轉(zhuǎn)一個工位，動力頭動作，完成這一動作后，指示燈熄滅.四工位循環(huán)工作按鈕在工位臺上，工件完成裝卸、鉆孔、擴孔和絞孔工序的加工，完成后指示燈熄滅.

2.2.3 手動調(diào)試部分

手動調(diào)試部分主要是為了對機床進行完善，按動回轉(zhuǎn)臺按鈕，回轉(zhuǎn)臺自動完成一個工位的旋轉(zhuǎn).按動動力頭快進工進按鈕，可實現(xiàn)動力頭的點動調(diào)整.按動動力頭快退按鈕，指示燈亮，同時動力頭快速退回原位，此時指示燈熄滅.想要調(diào)試動力頭單循環(huán)時，可按動單循環(huán)按鈕，其指示燈亮，動力頭完成快進、工進、延時停留、動力頭快退這一系列的工作，完成后動力頭停止工作，此時指示燈熄滅.

3 程序模塊設計

3.1 回轉(zhuǎn)臺運動功能程序

回轉(zhuǎn)臺梯形圖如圖7所示.回轉(zhuǎn)臺的自動循環(huán)為：回轉(zhuǎn)臺抬起→回轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)及緩沖→回轉(zhuǎn)臺反靠→回轉(zhuǎn)臺夾緊→離合器脫開.

圖7 回轉(zhuǎn)臺梯形圖Fig.7 Ladder diagram of rotary table

3.1.1 回轉(zhuǎn)臺微抬

在液壓泵電動機啟動后，Q2.5閉合，限位開關ST1被壓動，回轉(zhuǎn)臺才能回轉(zhuǎn)，即I1.4閉合.此時工作臺回轉(zhuǎn)啟動開關I1.3閉合，啟動中間繼電器M1.7，中間繼電器閉合后Q0.0得電，回轉(zhuǎn)臺微抬.

3.1.2 回轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)及緩沖

當動力頭抬起到位時，壓動限位開關ST5，即I1.5閉合后，Q0.1得電，此時回轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)；當回轉(zhuǎn)到接近定位點時，壓動ST6，即I1.6閉合，此時啟動中間繼電器M0.6；當M0.6的開關閉合后，Q0.2得電，回轉(zhuǎn)臺低速回轉(zhuǎn).

3.1.3 回轉(zhuǎn)臺反靠

回轉(zhuǎn)臺繼續(xù)回轉(zhuǎn)，限位開關ST6恢復原位，即I1.6斷開.此時I0.7得電，觸點打開使Q0.1斷電，同時使Q0.3得電，回轉(zhuǎn)臺低速反靠到準確位置.

3.1.4 回轉(zhuǎn)臺夾緊

回轉(zhuǎn)臺反靠靠緊后，壓動限位開關ST7，即I1.7閉合，使M1.4得電動作，使Q0.4得電，這樣就將回轉(zhuǎn)臺向下壓緊在底座上.當回轉(zhuǎn)臺夾緊后，夾緊力達到一定數(shù)值，使壓力繼電器動作，即I2.0閉合，使中間繼電器M1.5得電動作，其動斷觸點使Q0.2、Q0.3斷電，同時使Q0.5得電動作，從而使離合器脫開.

3.1.5 離合器脫開

離合器脫開到位時，壓動限位開關ST8，即I2.1閉合，其動斷觸點斷開，使Q0.2斷電，其動合觸點閉合使Q0.3得電，將使回轉(zhuǎn)液壓泵活塞退為原位.活塞退回原位后，由于杠桿作用，壓動限位開關ST9，即I2.2閉合.其動斷觸點斷開，完成動作后，繼電器斷電.這樣Q0.5斷電使離合器重新結(jié)合，以備下次轉(zhuǎn)位循環(huán).這樣控制線路都恢復至原始位置.

3.2 動力頭運動功能程序

動力頭的一個工作循環(huán)為：動力頭快進→動力頭工進→延時停留→動力頭快退.動力頭梯形圖如圖8所示.

圖8 動力頭梯形圖Fig.8 Ladder diagram of power head

3.2.1 動力頭快進

當液壓泵電動機運轉(zhuǎn)時，Q2.5閉合，這是手動調(diào)試功能里的一個部分，所以啟動調(diào)試旋鈕，即I1.0閉合，按動動力頭單循環(huán)按鈕，啟動中間繼電器M2.2，當其得電動作后，M2.2閉合，中間繼電器M1.0得電，其觸點閉合.當工作臺在原位時，Q0.6和Q0.7得電，此時動力頭快進.

3.2.2 動力頭工進

當動力頭快進到位時，按動限位開關ST3，即I2.6閉合，中間繼電器M1.1得電動作，其動斷觸點斷開，使Q0.7斷電，此時動力頭工進.

3.2.3 延時停留

當動力頭工進到位時，壓動限位開關ST4，即I2.7閉合，時間繼電器開始工作，2s后動作，其動合開關閉合，使中間繼電器M1.2動作.

3.2.4 動力頭快退

中間繼電器M1.2得電后，動合觸點閉合，Q1.0得電，使動力頭快速后退，同時動斷觸點使Q0.6失電.當動力頭退回到原位時，壓動限位開關ST1，即I1.4閉合，動斷觸點切斷電路.

3.3 調(diào)試功能程序

動力頭調(diào)試梯形圖如圖9所示.

圖9 動力頭調(diào)試梯形圖Fig.9 Ladder diagram of power head commissioning

在液壓泵電動機運轉(zhuǎn)后，Q2.5閉合，同時動力頭的動作是以回轉(zhuǎn)臺退回原位為前提的，所以當回轉(zhuǎn)臺在原位置時，I2.2閉合，這一過程為調(diào)試程序，所以I1.0閉合和自動運轉(zhuǎn)功能形成互鎖.滿足上述前提時，M1.0得電動作，Q0.6和Q0.7得電，此時動力頭快速向前運動.

當動力頭快進到指定位置時，壓動限位開關，即I2.6閉合，使中間繼電器M1.1得電動作，其動斷觸點斷開，使Q0.7斷電，此時動力頭進行工進動作.

動力頭快退調(diào)試梯形圖如圖10所示，此程序的設計主要為方便操作人員對機床動力頭進行調(diào)試控制.當液壓泵電動機工作時，即Q2.5閉合時動力頭才能工作，這是一個調(diào)試過程，所以I1.0閉合，與機床自動運行形成互鎖，即I0.7動斷.當動力頭快退按鈕I2.4閉合時，中間繼電器M1.2得電動作，同時動合觸點閉合自鎖，Q1.0得電，動力頭動作，快速后退.當退回到原來位置時，壓動限位開關ST1，即I1.4閉合，中間繼電器M1.2失電，使得Q1.0失電，動力頭停止后退.

圖10 動力頭快退調(diào)試梯形圖Fig.10 Ladder diagram of power head fast rewind commissioning

4 典型功能運行模擬

4.1 運行環(huán)境

啟動S7-200 PLC 仿真軟件對本程序進行仿真測試，加載相應梯形圖程序，仿真啟動后，觀察狀態(tài)窗口，對程序進行驗證.仿真軟件的界面如圖11所示.

圖11 擴展模塊后的仿真界面Fig.11 Simulation interface after module expansion

4.2 運行實現(xiàn)

對所編程序進行仿真，檢驗是否符合所要達到的設計要求，以下是對典型過程進行的仿真.由于文章無法顯示仿真過程視頻，因此對仿真運動過程進行詳細說明.

4.2.1 對回轉(zhuǎn)臺的回轉(zhuǎn)進行仿真

首先按動I0.1，輸出Q1.3和Q1.4口燈亮，同時Q2.4和Q2.5口燈亮.按動I1.0和I1.4為工作臺回轉(zhuǎn)做準備，當按動I1.3時，輸出Q0.0和Q2.0口燈亮，此時扳回I1.3.當回轉(zhuǎn)臺抬起到位時，按動I1.5，Q0.1口燈亮，當回轉(zhuǎn)接近定點時，按動I1.6，此時Q0.1和Q0.2口燈亮，回轉(zhuǎn)臺繼續(xù)回轉(zhuǎn)，扳回I1.6，Q0.2和Q0.3口燈亮.當回轉(zhuǎn)臺反靠到位時，按動I1.7，Q0.3和Q0.4口燈亮，同時扳回I1.5.當回轉(zhuǎn)臺夾緊到位時，按動I2.0，Q0.4和Q0.5口燈亮，當離合器脫開到位時，按動I2.1，Q0.3和Q0.4口燈亮，當活塞退回到原位置時，按動I2.2，回轉(zhuǎn)臺所有動作的輸出口燈全部熄滅.

4.2.2 動力頭單循環(huán)仿真

首先按動I0.1，輸出Q1.3和Q1.4口燈亮，同時Q2.4和Q2.5口燈亮.按動I0.4、I1.0和I2.2時為動力頭的單循環(huán)做準備.當按動I2.5時，輸出口Q0.6、Q0.7和Q2.3口燈亮.當動力頭快進到位時，按動I2.6，此時Q0.7燈熄滅，Q2.6口燈亮.當動力頭工進到位時，按動I2.7，此時Q2.6口燈熄滅，延時2s后，Q1.0口燈亮.當動力頭退回到原來位置時，壓動I1.4，此時Q2.3和Q1.0口燈熄滅.

4.2.3 單工位循環(huán)仿真

首先按動I0.1，輸出Q1.3和Q1.4口燈亮，同時Q2.4和Q2.5口燈亮.按動I0.4、I0.7和I1.4為單工位的循環(huán)仿真做準備.當按動啟動按鈕I1.1時，輸出口Q0.0和Q1.6口燈亮，扳回I1.1后，Q0.0口燈熄滅.當回轉(zhuǎn)臺抬起到位時，按動I1.5，Q0.1口燈亮，當回轉(zhuǎn)接近定點時，按動I1.6，此時Q0.1和Q0.2口燈亮.回轉(zhuǎn)臺繼續(xù)回轉(zhuǎn)，扳回I1.6，Q0.2和Q0.3口燈亮.當回轉(zhuǎn)臺反靠到位時，按動I1.7，Q0.3和Q0.4口燈亮，同時扳回I1.5.當回轉(zhuǎn)臺夾緊到位時，按動I2.0，Q0.4和Q0.5口燈亮.當離合器脫開到位時，按動I2.1，Q0.3和Q0.4口燈亮.當活塞退回到原位置時，按動I2.2，Q0.6和Q0.7口燈亮起，同時扳回I1.4.當動力頭快進到位時，按動I2.6，此時Q0.7熄滅，Q2.6口燈亮.當動力頭工進到位時，按動I2.7，此時Q2.6口燈熄滅，延時2s后，Q1.0口燈亮.當動力頭退回到原來位置時，壓動I1.4，此時Q1.6和Q1.0口燈熄滅.當仿真停止時，按動I0.0，輸出Q1.1口燈亮，同時Q1.3、Q1.4、Q2.4、Q2.5口燈全部熄滅，此時扳回I0.0，Q1.1口燈熄滅.

5 結(jié) 語

本文采用西門子S7-200型PLC對原有DU型組合機床電氣系統(tǒng)進行改造升級，在對組合機床進行功能分析的基礎上，對PLC接口資源進行分析與分配以及操作面板的設計，追加自動運行和手動調(diào)試兩個模塊.最后對所追加的功能進行控制系統(tǒng)的編程與仿真.結(jié)果表明：回轉(zhuǎn)臺的回轉(zhuǎn)、動力頭單循環(huán)和單工位循環(huán)均可實現(xiàn)，機床電氣控制系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性較高；改造后的機床可以實現(xiàn)四工位組合機床的自動化生產(chǎn)以及工作人員對機床的手動便捷調(diào)試.